DIAGENESIS DE MINERALES ARCILLOSOS- DAÑO EN LA FORMACION

1. Arcilla

Termino textural, referente a un tamaño, a una fracción de tamaño. En una roca, la fracción arcilla puede presentar cuarzo, feldespato y minerales arcillosos

Diagénesis de sedimentos tamaño limo-arcilla: Cambia drásticamente sus propiedades composicionales y texturales.

2. Minerales arcillosos: término que se relaciona a un grupo mineral, es decir un grupo con características químicas definidas y estructura cristalina propia. Son silicatos hidratados de aluminio, con grupos OH.

Los minerales arcillosos dan información acerca de los procesos de meteorización, transporte desde la tierra hasta el mar y procesos diagenéticos tempranos y tardíos, todo esto con implicaciones en las propiedades petrofísicas de varios tipos de areniscas.

Filosilicatos: Grupos SiO4 donde tres de los cuatro oxígenos del tetraedro están compartidos con los tetraedros vecinos resultando una relación de Si:O de 2:5. Los filosilicatos están dispuestos en hojas de extensión indefinida. El silicio puede estar, en parte, sustituido por Al3 o Fe3

Los filosilicatos consisten básicamente de dos tipos de capas de átomos. Una capa presenta Si y O en forma de tetraedro que se une con otro formando una estructura hexagonal. El segundo comprende átomos de Al y O (o OH) que se unen entre sí formando un octaedro, es decir solo están ocupadas dos tercios de las posiciones octaédricas y el tercio restante está vacante y el Al 3+

es el catión octaédrico dominante. Así, los filosilicatos pueden estar formados por dos capas: tetraédrica más octaédrica y se denominan bilaminares, 1:1, o T:O; o bien por tres capas: una octaédrica y dos tetraédricas, denominándose trilaminares, 2:1 o T:O:T.

En algunos filosilicatos (esmectitas, vermiculitas, micas...) las láminas no son eléctricamente neutras debido a las sustituciones de unos cationes por otros de distinta carga. El balance de carga se mantiene por la presencia, en el espacio interlaminar, o espacio existente entre dos láminas consecutivas, de cationes (como por ejemplo en el grupo de las micas), cationes hidratados (como en las vermiculitas y esmectitas) o grupos hidroxilo coordinados octaédricamente, similares a las capas octaédricas, como sucede en las cloritas. A éstas últimas también se las denomina T:O:T:O o 2:1:1. Los cationes interlaminares más frecuentes son alcalinos (Na y K) o alcalinotérreos (Mg y Ca).

Por todas sus características cristalinas, los filosilicatos tienen las siguientes propiedades:

Habito hojoso Dirección de exfoliación dominante: Las fuerzas que unen las diferentes unidades

estructurales son más débiles que las existentes entre los iones de una misma lámina, por ese motivo los filosilicatos tienen una clara dirección de exfoliación, paralela a las láminas.

Laminas flexibles e incluso elásticas

Tipos de minerales arcillosos más importantes

Hay cuatro grupos de minerales arcillosos principales: La Caolinita Al2Si2O5 (OH)4 consiste de un tetraedro de Si y uno octaédrico de Al, ellos absorben agua únicamente alrededor de las esquinas y no entre las capas, por ello la caolinita no se hincha.

El grupo de la esmectita (Al4Si8O10.nH2O(OH)4) anteriormente denominado de la montmorillonita, consiste de tres capas: Una capa octaédrica de Al con dos tetradricas de Si, por ello el agua puede entrar entre las dos capas tetraédricas y por lo tanto la esmectita si se hincha en presencia de agua y tiende a dispersarse en pequeñas placas. La esmectita durante el proceso de perforación hace una torta de lodo impermeable, haciendo que la perdida de agua del lodo durante dicho proceso sea baja.

Bentonita: Ceniza volcánica alterada compuesta principalmente por montmorillonita. Tiene la propiedad de aumentar varias veces su volumen cuando es sumergida en agua.

El grupo de la illita: La illita es un mineral arcilloso relacionado a la esmectita, sin embargo en su estructura, el K se aloja en la estructura hexagonal formada por los tetraedros de Si, entonces el K enlaza ambas capas y por ello esta illita no se hincha en el contacto con el agua. Cuando la illita se deposita en los poros forma una estructura de panal o fibrosa que causa una pérdida de porosidad efectiva. Las partículas de illita se caracterizan porque no se hinchan en contacto con agua dulce, como si ocurre con la esmectita pero la illita puede migrar a través de las gargantas de los poros, ocasionando una pérdida de permeabilidad.

Anteriormente se pensaba que el daño en la permeabilidad era debida al hinchamiento de la esmectita pero la caolinita es además un mineral arcilloso muy perjudicial debido a que sus laminas son delicadamente pegadas al poro y fácilmente desplazables. Por ello La caolinita bloquea los poros.

Las caolinitas son menos solubles en ácidos y la migración de las partículas a través de los poros puede ser prevenida por el tratamiento con ciertos polímeros como el polihidróxido de aluminio inmediatamente después del completamiento del pozo.

El daño ocasionado por las illitas puede ser prevenido utilizando agua salada o una solución de cloruro de potasio.

Las cloritas: Contienen altas cantidades de Fe y Mg, y se disuelven en acido hidroclórico pero forma un precipitado gelatinoso de hidróxido de hierro que es extremadamente perjudicial para la permeabilidad. Muchos pozos cuando son tratados con este acido en vez de aumentar su velocidad de producción, la disminuyen.

La estructura de los minerales arcillosos ha sido estudiada a través de estudios de difracción de rayos X (DRX) y Microscopia electrónica (SEM), estas técnicas han permitido establecer que cada uno de los grupos mencionados tienen formas características. Por ejemplo la caolinita se presenta en forma de libros formados por los agregados laminares. La clorita cubre los granos de arena y se proyectan hacia dentro del poro. La esmectita forma una especie de panal de abejas de hojas o laminas irregularente dispuestas.

Caolinita SEM

Caolinita (superior) y montmorillonita (inferior)

Illita como cemento en areniscas. Debido a que forman fibras que actuan como puentes sobre los poros, destruye totalmente la porosidad de una arenisca

Esmectita, nótese su forma hojosa, como hojuelas que en conjunto forman estructuras semejantes a un panal de abejas

A los minerales arcillosos, cuando entran en contacto con agua con sales disueltas, les sucede que los iones metalicos se pegan a la estuctura de ellas, es decir hay intercambio cationico de bases: K y amonio desplazan al Ca. La cantidad de bases intercambiables se denomina capacidad de intercambio cationico (CEC) mequiv/gr. La esmectita tiene una gran CEC debido a que los cationes pueden ser absorbidos entre las capas tetraedricas. Por lo tanto estos cationes se pueden mover como los iones disueltos en el agua a traves de los poros de la roca, lo que hace que la conductividad de las areniscas que contienen minerales arcillosos depende de la conductividad de los iones en el agua y de la conductividad de los iones en los minerales arcillosos

Si Co es la Conductividad de la roca, completamente saturada con agua (1/Ro) y Cw es la conductividad del agua (1/Rw). El exceso de la conductividad es debida a la cantidad de cationes intercambiables en las arcillas.

Ecuación de Waxman & Smits(1/Rt)=1/F ((1/Rw)+BQv))

B: KteQv: CEC miliequivalentes de Na/1 cm3 de porosRw: Resistividad del aguaRt; Resistividad de la rocaF: Factor de formación de Archie

El efecto de la conductividad de los minerales arcillosos hace que la resistividad de la roca Rt sea más baja de lo que es en realidad.

Si Sw2=FRw/Rt

Entonces al ser Rt muy bajo, la Sw seria muy alta y por ende la saturacion de aceite seria muy baja.

3. Diagénesis de las rocas arcillosas

Estructuras primarias: Representan una importante fuente de interpretación ambiental

a. Estratificación horizontal: Fisibilidad: Propiedad de la roca a partirse a lo largo de superficies planas, paralelas a la estratificación, es producida por láminas ricas en MO y por la orientación paralela de los filosilicatos. Las Laminas en shales son unidades depositacionales con limites netos o agradacionales, representan eventos episódicos en la cantidad y naturaleza del suministro de clastos, dichos eventos son controlados a su vez por variaciones climática, retrabajamiento y redepositación relacionados a tormentas, cambios en la química del agua que permite por ej., la precipitación de minerales como calcita y yeso y a variaciones en la productividad de organismos planctónicos, suministrando calcita, SiO2, PO4 y MO

b. Estratificación paralela no continua: Combinación de depositación de partículas en suspensión y alguna acción de corrientes en el fondo oceánico

c. Estratificación lenticular: Episodios de transporte de partículas en tracción formando ripples de limo y arena intercalados con depósitos finos en suspensión tamaño lodo.

d. Estratificación gradacional: Depósitos distales de turbiditas

e. Ausencia de estructuras (macizas). Depositación continua y uniforme o el producto final de bioperturbación.

Bioperturbación: Las areniscas en la playa pueden ser atravesadas por gusanos marinos y otros organismos. Túneles, formas complejas. Las arcillas aquí son introducidas por organismos (biogénica)

Estructuras tempranas de compactación y deformación: Se desarrollan durante e inmediatamente después de la depositación e indican cambios ambientales: cambios por gravedad, compresión vertical, cambios en densidad entre los diferentes constituyentes, movimientos de los fluidos, procesos de desecación por exposición subaérea (mudcracks), pliegues sinsedimentarios (representan estructuras subacuáticas indicando direcciones de paleocorriente) turbiditas distales.

Estructuras diagenéticas: Desarrolladas durante la diagénesis temprana a tardía y puede ser simultánea con la compactación. La mayoría de estas estructuras se forman tempranamente ya que los sedimentos se caracterizan por altas permeabilidades, alta concentración de fluidos, filosilicatos reactivos y baja concentración de oxígeno. Estructuras diagenéticas más comunes concreciones y nódulos. La precipitación de minerales diagenéticos (feldespatos, pirita) puede ocurrir simultáneamente con la diagénesis.

3.1.Shales: Rocas generadoras y sello. Durante la diagénesis Los filosilicatos sufren cambios principalmente como efecto del aumento en la temperatura y de la composición química más que la presión.

Compactación en shales:

Sus efectos son críticos en la evolución de la porosidad desde los sedimentos (filosilicatos) hasta la condición final de roca. Durante la depositación, los filosilicatos (dispuestos en hojas, flóculos o agregados) absorben MO óxidos e hidróxidos, formando una estructura suelta con porosidades entre 70 y 90%.Con la continua acumulación, la sobrepresión causa compactación por reorganización y deformación de las partículas. En los primeros 500 m de profundidad la velocidad en la que disminuye la porosidad es alta y luego disminuye. La tasa a la cual disminuye la velocidad depende del tipo y tamaño de las “hojas” de los filosilicatos, cationes absorbidos, composición y pH de los fluidos que circulan por los intersticios, temperatura de enterramiento, tiempo.

Uno de los efectos de la compactación es la fisibilidad de los shales, la cual es proporcional al grado de orientación preferencial de los filosilicatos, es claro que la sobrepresión contribuye a dicha disposición, pero también otros factores relacionados a la presencia y cantidad de cuarzo y feldespato, estos últimos limitan la orientación. La concentración de MO actúa como un agente dispersante que favorece la orientación paralela.

Color en los shales:

El color es de origen detrítico y representa el color original de los diferentes tipos de filosilicatos o de los pigmentos de hematita traídos desde los suelos rojos. Es principalmente controlado por la proporción Fe+2/Fe+3 y MO. Altas proporciones generan colores rojizos y bajas concentraciones, tonalidades verdes.

Tipos de shales:

El tipo de filosilicatos controla la densidad, plasticidad, fisibilidad, compactabilidad y reacción a la meteorización. Los shales pueden tener: filosilicatos, cuarzo y feldespatos. Además óxidos de hierro, calcita, fosfatos y sulfatos y materia orgánica. Además se identifican fragmentos de carbón (estudios de vitrinita para conocer historia térmica de la cuenca)

Shales calcáreos: A mayor contenido de calcita y dolomita (precipitados en ambientes marinos y de agua dulce), menor fisibilidad

Shales silíceos: Porcelanitas y liditas. %SiO2 85%, baja porosidad Shales bituminosos: laminación con alternancia de láminas de filosilicatos y carbonatos.

Análisis de kerógeno.

4. Diagenesis en Areniscas:

Las areniscas no son homogéneas. Debido a que ellas están subyacidas por corrientes de agua que varían en velocidad y en dirección, presentan laminación con láminas alternantes de granos gruesos y finos o puede tener intercaladas láminas de shales. Dicha presencia de láminas de lodolitas aun sean discontinuas o muy delgadas, actúan como un sello que impide el movimiento de fluidos a través de los planos de estratificación, por ello muchos cuerpos de arena actúan como si fueran independientes

Estructuras sedimentarias:

Laminación inclinada (crossbedding)

Marcas de oleaje (ripple marks): En la superficie de los planos de estratificación, representan las olas vistas en aguas someras a lo largo de corrientes y playas

Mecanismos de diagénesis:

Compactación, cementación, recristalización y disolución, todos son resultado del flujo de agua a través de la roca.

Factores que destruyen porosidad:

La Porosidad es destruida por la depositación de sílice secundaria en los granos, dicha sílice proviene de la disolución de los granos de cuarzo en puntos de contacto entre ellos y donde se concentran los esfuerzos: Presión solución. La sílice secundaria cubre los granos originales de arenisca y crece en los poros de adentro hacia afuera, quedando como cristales de sílice. Este proceso puede continuar hasta que la porosidad es prácticamente destruida. Es frecuente ver que una arenisca tenga una buena porosidad en una localidad y luego en otra estar totalmente cementada.

Precipitacion de calcita: Es el primer mineral secundario precipitado en los poros.

Minerales arcillosos en Areniscas:

Los minerales arcillosos que se alojan dentro de los poros tienen efectos importantes en las propiedades de la roca reservorio.

Dichos minerales arcillosos tienen una porosidad por su cuenta, aparte de la porosidad de la arenisca. Si se tiene en cuenta que las fuerzas capilares no permiten que el aceite entre a los poros menores a 10u, entonces los poros que se encuentran dentro de los minerales arcillosos, por ser más pequeños que 10u no podrán alojar ni gas ni aceite y están saturados de agua. Esta agua es inmóvil, ya que se hace parte de la estructura interna del mineral arcilloso. Por esa presencia de agua inmóvil, al determinar el Sw, que daría alto, se puede interpretar como si fuera un yacimiento poco productivo.

Tipos de arcillas según su origen:

a. Arcillas alogénicas: De diferente origen al de las areniscas.

A estos pertenecen las láminas de arcillas depositadas como estratos en la arenisca cuando la corriente disminuye la velocidad, a veces se forman fragmentos de lodo embebidos en las areniscas o la arcilla puede ser introducida por acción de organismos (bioperturbación).

b. Arcillas autigénicas: Las partículas arcillosas se pueden depositar al mismo tiempo que las partículas arena y pueden tener un origen igual o diferente. También puede pasar que las lodolitas se hayan depositado en un ambiente lejano al de las areniscas (en ambientes de aguas quietas y profundas) y si hay fluidos calientes que atraviesen la secuencia de shales van a acarrear en solución minerales arcillosos. Al llegar a las areniscas, la solución entrará por los poros y depositará cristales de minerales arcillosos en ellos: arcillas autigénicas ya que aunque vienen de otro lado diferente al de las arenas, se precipitan donde se encuentran depositadas dichas areniscas.

Las arcillas en las areniscas ocurren en cuatro formas diferentes: comúnmente ellas se “pegan” a las superficies de los granos y rodean los poros (pore lining) o pueden extenderse hasta que llenen completamente los poros (pore filling). Algo que ocurre menos frecuentemente se relaciona a que la arcilla reemplace granos minerales, especialmente de feldespatos (pseudomorfous replacement) o que las arcillas rellenen fracturas (fracture filling).

EFECTOS PERJUDICIALES DE LAS ARCILLAS AUTIGENICAS EN LAS ROCAS RESERVORIO

Las arcillas autigenicas interfieren con el desarrollo de los campos petroliferos en cuatro formas:

1. Perdida de porosidad primaria: La precipitacion de los minerales arcillosos parcialmente pueden llenar los poros originales

2. Microporosidad: Relacionada a Los intersticios entre las laminas de las arcillas, la cual es una porosidad no efectiva es decir que no permite el paso de aceite ni tampoco lo almacena debido a que las fuerzas capilares y moleculares mantienen el agua en estos espacios pequeños y no dejan entrar a otra fase (aceite o gas). En el calculo de las reservas esta porosidad no debe ser incluida sino que debe deducirse de la cantidad de poros ocupados con agua, por ello la porosidad usada para calcular reservas deberia ser Φ(1-Sw), factor denominado HPV (Hydrocarbon Pore Volume)

3. Extraconductividad: Los cationes intercambiables en los minerales arcillosos conducen electricidad y por lo tanto reducen la resistividad de las areniscas haciendo que se pueda sobreestimar la cantidad de agua en la formacion y subestimar el contenido de aceite

4. Daño a la formacion: Debido a que los minerales arcillosos son hojosos y muy delicados, ellos son facilmente disgregados por el filtrado del lodo y tienden a tapar las gargantas de las areniscas. Para el caso de la esmectita, esta puede hicharse al contacto de cualquier agua que sea de composicion diferente del agua de formacion

Porosidad secundaria

Como anteriormente se señala, la porosidad de las areniscas tiende a disminuir al aumentar la profundidad debido a la reorganizacion de los granos por accion de la sobrecarga, dando como resultado la depositacion de carbonatos secundarios y de silice en los poros.

A una profundidad mayor a 7000’ (2.100m) la Φsecundaria empieza a aparecer. Esta se forma por el movimiento de fluidos calientes los cuales disuelven ciertos granos minerales (calcita, feldespatos y líticos) aumentando la porosidad.

Evidencias de disolución: Corrosión en los granos y moldes (cavidades de antiguos granos que ya fueron completamente disueltos)

Para que la Φsec sea económicamente significativa la Φprimaria debió haber sido completamente destruida

Efectos del lodo de perforación sobre las areniscas

Perforación: Mud cake. Para disminuir la invasión del lodo y del filtrado del lodo se toman ciertas medidas para disminuir la permeabilidad de la torta y por ello muchos de los solidos del lodo permanecen en la torta y no entran a los poros de las areniscas. Sin embargo una pequeña cantidad de partículas finas entra a la formación y tiende a bloquear los poros en las cercanías al hueco.

El filtrado del lodo entra a la formación (zona invadida), si la arenisca contiene arcillas expansivas, estas pueden flocular por acción del agua salada de formación. Y si al sistema entra agua dulce, se da la expansión de las arcillas que allí estén. Para evitar esto, se aplican ciertos compuestos químicos en el lodo de perforación que pueden hacer que las arcillas se disgreguen (rompan los flóculos) en los poros de la arenisca. Aun, si no hay hinchamiento de las arcillas el flujo del agua puede hacer que las partículas de la arcilla se muevan y bloqueen los poros

Si hay aceite en la formación, el agua puede formar emulsiones estables o películas de asfalto que bloquean los poros. Si los químicos que vienen en el lodo de perforación reaccionan con los componentes que hay en el agua de formación se forman precipitados que también pueden bloquear los poros. Los sólidos que vienen en el lodo pueden causar que el aceite sea desplazado de tal manera que la permeabilidad de la arena al aceite disminuya significativamente La cantidad por la cual la productividad del pozo es reducida se denomina skin effect

Es muy difícil, y en algunos casos imposible, corregir el daño hecho a la formación por el filtrado del lodo de perforación. La única solución es fracturar hidráulicamente la arenisca mas allá de la zona de invasión pero no es practico para unidades “blandas”.

Efectos de la perforación en lodolitas (shales):

El agua en el lodo de perforación tiene efectos nocivos sobre los shales. Primero causa que muchos shales se hinchen, lo cual causa que las paredes del pozo colapsen, por lo que grandes trozos de shales caen de las paredes y deben ser evacuados. En el peor de los casos, el shale pega la tubería y el agua dispersa las partículas de esas rocas. Los fragmentos disgregados son muy pequeños y traspasan el mud cake e incrementan los solidos que pasan al lodo y por ende aumenta la cantidad de sólidos que pueden pasar a la formación (zona invadida).Los análisis de laboratorio y de campo han demostrado que los polímeros añadidos al lodo ayudan a controlar la dispersión, pero no su expansión ni su colapso. El cloruro de potasio en el lodo a una concentración de 3-5% ayuda a controlar la dispersión y el colapso, ya que los iones de K entran en los espacios del Si en las capas tetraédricas los cuales mantienen a las capas juntas.